專利名稱：壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器的微力加載裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于傳感器與測試技術領域，特別涉及壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器的靜態和準靜態測試和標定。
背景技術：
壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器是基于MEMS技術的一種新型傳感器，已廣泛應用于掃描力顯微鏡等精密測試儀器中。為了檢測力傳感器是否達到所要求的技術性能指標，在使用力傳感器之前，必須在技術和性能上對其進行一次全面的檢驗，即動靜態標定。目前，采用垂直加載法對懸臂梁式微力傳感器進行靜態和準靜態標定的系統中，其微小力一般是由質量塊或彈簧施加在金屬針尖上，然后通過機械導軌保持力的方向垂直于樣品表面。這兩種力的加載方式，力的大小在0-20N，對于分辨率為微牛頓量級的微小力，其加載系統存在以下幾方面缺點由于機械加載裝置存在附加力等難以消除的因素，增加了加載力的不穩定性和控制難度；這些加載裝置對加載力的精度要求較低，限制了壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器在微牛頓量級力的標定。
發明內容
本發明的目的是發明一種簡易可靠的微小力加載裝置，規避了上述力加載裝置中存在的缺點，提高了微小力加載系統的分辨率。利用微米量級分厘卡分別在X軸、Y軸和Z軸方向上，精確地控制微探針在待測壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器上的加載位置；采用壓電陶瓷驅動電源激勵帶微探針的壓電陶瓷片，利用壓電材料的逆壓電效應產生豎直方向的微位移，微探針將微位移傳遞到待測壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器上，實現微小力的加載，進而對微小力進行標定。整個微小力的加載裝置采用加載部分剛性結構，利用微位移實現微小力的傳遞，并完成微牛頓量級力的加載。解決了微牛頓量級力加載的不穩定性和控制難的問題。
本發明采用的技術方案是一種壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器的微力加載裝置，由一維微位移臺I，二維微位移臺II，壓電雙晶片微力發生器III及減震裝置IV組成；一維微位移臺I由X軸分厘卡組件、一維微位移臺底座6組成，其中，X軸分厘卡組件由X軸分厘卡旋鈕1、X軸分厘卡內刻度套筒2、內六角螺釘3、X向線性滑塊4、X軸分厘卡主軸5組成，帶有外刻度的X軸分厘卡旋鈕1與X軸分厘卡主軸5的一端螺紋連接，X軸分厘卡旋鈕1與X軸分厘卡內刻度套筒2間隙配合，X軸分厘卡內刻度套筒2與帶導套的X向線性滑塊4過盈配合，并由內六角螺釘3固定在X向線性滑塊4的導套上，一維微位移臺底座6形狀為直角型，水平底面是導軌面，與X向線性滑塊4的底導軌面相配合，一維微位移臺底座6的垂直面為Z向平面，通過4個內六角螺釘7固接在二維微位移臺底座18的右平面上，在一維微位移臺底座6內腔中裝有彈簧30，彈簧30一端固定在一維微位移臺底座6內腔中，另一端與X向線性滑塊4固接；二維微位移臺II由Y軸分厘卡組件、Z軸分厘卡組件、二維微位移臺底座18、支板19和內六角螺釘20組成，其中，Y軸分厘卡組件由Y軸分厘卡旋鈕8、Y軸分厘卡內刻度套筒9、內六角螺釘10、Y向線性滑塊11、Y軸分厘卡主軸12組成，帶有外刻度的Y軸分厘卡旋鈕8上與Y軸分厘卡主軸12一端螺紋連接，Y軸分厘卡旋鈕8與Y軸分厘卡內刻度套筒9間隙配合，Y軸分厘卡內刻度套筒9與帶導套的Y向線性滑塊11過盈配合，并由內六角螺釘10固定在Y向線性滑塊11的導套上；Z軸分厘卡組件由Z軸分厘卡旋鈕13、Z軸分厘卡內刻度套筒14、內六角螺釘15、Z向線性滑塊16、Z軸分厘卡主軸17組成，帶有外刻度的Z軸分厘卡旋鈕13與Z軸分厘卡主軸17一端螺紋連接，Z軸分厘卡旋鈕13與Z軸分厘卡內刻度套筒14間隙配合，Z軸分厘卡內刻度套筒14與帶導套的Z向線性滑塊16過盈配合，并由內六角螺釘15固定在Z向線性滑塊16的導套上；二維微位移臺底座18形狀為正方形，水平方向為Y軸，垂直方向為Z軸，二維微位移臺底座18水平底面和垂直面均為導軌面，分別與Y向線性滑塊11和Z向線性滑塊16的導軌面向配合；在二維微位移臺底座18的內腔中沿水平方向和垂直方向分別裝有彈簧31和彈簧32，彈簧31和彈簧32的一端分別固定在二維微位移臺底座18的內腔中，彈簧31的另一端與Y向線性滑塊11固接，彈簧32的另一端與Z向線性滑塊16固接，二維微位移臺底座18與支板19由內六角螺釘20固接；壓電雙晶片微力發生器III由微探針21、固定塊22、兩片壓電陶瓷片23、鋁制金屬片24、夾片25、內六角螺釘26組成，其中，鋁制金屬片24被夾在兩個矩形壓電陶瓷片23中間，并通過粘合劑粘接，探針21通過粘合劑安裝在固定塊22的中心位置，固定塊22通過粘合劑粘接在壓電陶瓷片23的一端，用夾片25夾持壓電雙晶片微力發生器III遠離探針21的一端，并通過內六角螺釘26將壓電雙晶片微力發生器III安裝在一維位移臺底座6的底平面上；兩片壓電陶瓷片23共同引出一個電極A，鋁制金屬片24引出另一個電極B；減震裝置IV由壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器27，載物臺28和減震平臺29組成，在減震平臺29上固定有載物臺28，在載物臺28上安裝有壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器27，壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器27自由端與微探針21對準。
本發明的效果是用X軸、Y軸和Z軸驅動分厘卡分別對微探針在待測懸臂梁式微力傳感器上的位置和接觸程度進行手動宏動控制，很好地控制了預載荷力，從而擴大測量和標定范圍；采用壓電陶瓷片對微探針進行電控微動，微小力加載精度高，可以達到微牛頓量級，提高了壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器的標定精度；手動調節和電控方式相結合，配合必要的測量儀器和支撐裝置，即可以實現壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器在靜態和準靜態下的標定，結構簡單可靠，而且操作方便。
附圖1為壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器微力加載裝置主視圖。
附圖2為壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器微力加載裝置俯視圖。
附圖3為壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器微力加載裝置右視圖。
附圖4為壓電雙晶片微力發生器III結構放大圖。
其中，1-X軸分厘卡旋鈕，2-X軸分厘卡內刻度套筒，3-內六角螺釘，4-X向線性滑塊，5-X軸分厘卡主軸，6-一維微位移臺底座，7-內六角螺釘，8-Y軸分厘卡旋鈕，9-Y軸分厘卡內刻度套筒，10-內六角螺釘，11-Y向線性滑塊，12-Y軸分厘卡主軸，13-Z軸分厘卡旋鈕，14-Z軸分厘卡內刻度套筒，15-內六角螺釘，16-Z向線性滑塊，17-Z軸分厘卡主軸，18-二維微位移臺底座，19-支板，20-內六角螺釘，21-微探針，22-固定塊，23-壓電陶瓷片，24-鋁制金屬片，25-夾片，26-內六角螺釘，27-壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器，28-載物臺，29-減震平臺，30-彈簧，31-彈簧，32-彈簧，A-電極A，B-電極B，I-一維微位移臺，II-二維微位移臺，III-壓電雙晶片微力發生器，IV-減震裝置，X-X方向坐標軸，Y-Y方向坐標軸，Z-Z方向坐標軸。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明的實施。首先，利用體硅加工工藝和表面加工技術加工壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器27。將懸臂梁式微力傳感器27固定在載物臺28上，再將載物臺28置于減震平臺29上待測。測量和標定時，將所有的器件整合后固定在減震平臺29上，用防風罩罩住所有裝置和器件。
這種用于壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器標定的微力加載裝置，適宜在23℃的恒溫環境的超凈間工作。首先在正方形固定塊22中心位置鉆直徑為1mm的盲孔，用粘合劑將微探針21固定在盲孔中；待微探針21固定好后，將帶微探針21的固定塊22，用粘合劑固定在壓電陶瓷片23非電極引出端，固定處位于壓電陶瓷片23非電極引出端大約5mm處的中央位置；待固定塊22在壓電陶瓷片23上固定好后，用夾片25夾持帶微探針21的壓電陶瓷片23，并通過4個內六角螺釘26固定在一維微位移臺底座6上；電極A和電極B通過導線引出，并與壓電陶瓷驅動電源相連，實現電壓激勵，使用前，壓電雙晶片微力發生器III需要進行標定。在進行靜態和準靜態標定前，將利用壓電材料的壓電效應產生豎直方向的微位移，微探針21將微位移傳遞到待測壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器27上，實現微小力的加載，進而對微小力進行測試及標定。整個微小力的加載裝置采用加載部分剛性結構，利用微位移實現微小力的傳遞，并完成微牛頓量級力的加載。整套裝置固定在減震平臺29上，然后進行微探針21和測壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器27的定位和標定。
加載時，調節X軸分厘卡旋鈕1驅動X向線性滑塊4在一維微位移臺底座6中的導軌面上沿X方向移動，再分別調節Y軸分厘卡旋鈕8和Z軸分厘卡旋鈕13，分別驅動Y向線性滑塊和Z向線性滑塊16在二維微位移臺底座18中的導軌面上分別沿Y和Z方向移動，使微探針21到達壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器27的正上方，使針尖正對加載點處，再調節Z軸分厘卡旋鈕13，使微探針21與待測壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器27剛剛接觸。然后根據測試和標定的需要，通過電極A和電極B，由陶瓷驅動電源對已標定好的壓電雙晶片微力發生器III施加直流或交流激勵電壓，通過加載部分剛性結構，利用微位移實現微小力的傳遞，并完成微牛頓量級力的加載，進而對壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器27進行靜態和準靜態的標定。
權利要求
1.一種壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器的微力加載裝置，由一維微位移臺(I)，二維微位移臺(II)，壓電雙晶片微力發生器(III)及減震裝置(IV)組成；其特征是，一維微位移臺(I)由X軸分厘卡組件、一維微位移臺底座(6)組成，其中，X軸分厘卡組件由X軸分厘卡旋鈕(1)、X軸分厘卡內刻度套筒(2)、內六角螺釘(3)、X向線性滑塊(4)、X軸分厘卡主軸(5)組成，帶有外刻度的X軸分厘卡旋鈕(1)與X軸分厘卡主軸(5)的一端螺紋連接，X軸分厘卡旋鈕(1)與X軸分厘卡內刻度套筒(2)間隙配合，X軸分厘卡內刻度套筒(2)與帶導套的X向線性滑塊(4)過盈配合，并由內六角螺釘(3)固定在X向線性滑塊(4)的導套上，一維微位移臺底座(6)形狀為直角型，水平底面是導軌面，與X向線性滑塊(4)的底導軌面相配合，一維微位移臺底座(6)的垂直面為Z向平面，通過4個內六角螺釘(7)固接在二維微位移臺底座(18)的右平面上，在一維微位移臺底座(6)內腔中裝有彈簧(30)，彈簧(30)一端固定在一維微位移臺底座(6)內腔中，另一端與X向線性滑塊(4)固接；二維微位移臺(II)由Y軸分厘卡組件、Z軸分厘卡組件、二維微位移臺底座(18)、支板(19)和內六角螺釘(20)組成，其中，Y軸分厘卡組件由Y軸分厘卡旋鈕(8)、Y軸分厘卡內刻度套筒(9)、內六角螺釘(10)、Y向線性滑塊(11)、Y軸分厘卡主軸(12)組成，帶有外刻度的Y軸分厘卡旋鈕(8)上與Y軸分厘卡主軸(12)一端螺紋連接，Y軸分厘卡旋鈕(8)與Y軸分厘卡內刻度套筒(9)間隙配合，Y軸分厘卡內刻度套筒(9)與帶導套的Y向線性滑塊(11)過盈配合，并由內六角螺釘(10)固定在Y向線性滑塊(11)的導套上；Z軸分厘卡組件由Z軸分厘卡旋鈕(13)、Z軸分厘卡內刻度套筒(14)、內六角螺釘(15)、Z向線性滑塊(16)、Z軸分厘卡主軸(17)組成，帶有外刻度的Z軸分厘卡旋鈕(13)與Z軸分厘卡主軸(17)一端螺紋連接，Z軸分厘卡旋鈕(13)與Z軸分厘卡內刻度套筒(14)間隙配合，Z軸分厘卡內刻度套筒(14)與帶導套的Z向線性滑塊(16)過盈配合，并由內六角螺釘(15)固定在Z向線性滑塊(16)的導套上；二維微位移臺底座(18)形狀為正方形，水平方向為Y軸，垂直方向為Z軸，二維微位移臺底座(18)的底面在水平和垂直方向均為導軌面，分別與Y向線性滑塊(11)和Z向線性滑塊(16)的導軌面向配合；在二維微位移臺底座(18)的內腔中沿水平方向和垂直方向分別裝有彈簧(31)和彈簧(32)，彈簧(31)和彈簧(32)的一端分別固定在二維微位移臺底座(18)的內腔中，彈簧(31)的另一端與Y向線性滑塊(11)固接，彈簧(32)的另一端與Z向線性滑塊(16)固接，二維微位移臺底座(18)與支板(19)由內六角螺釘(20)連接；壓電雙晶片微力發生器(III)由微探針(21)、固定塊(22)、兩片壓電陶瓷片(23)、鋁制金屬片(24)、夾片(25)、內六角螺釘(26)組成，其中，鋁制金屬片(24)被夾在兩個矩形壓電陶瓷片(23)中間，并通過粘合劑粘接，探針(21)通過粘合劑安裝在固定塊(22)的中心位置，固定塊(22)通過粘合劑粘接在壓電陶瓷片(23)的一端，用夾片(25)夾持壓電雙晶片微力發生器III遠離探針(21)的一端，并通過內六角螺釘(26)將壓電雙晶片微力發生器III安裝在一維位移臺底座(6)的底平面上；兩片壓電陶瓷片(23)共同引出一個電極(A)，鋁制金屬片(24)引出另一個電極(B)；減震裝置(IV)由壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器(27)，載物臺(28)和減震平臺(29)組成，在減震平臺(29)上固定有載物臺(28)，在載物臺(28)上安裝有壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器(27)，壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器(27)自由端與微探針(21)對準。
全文摘要
本發明一種壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器的微力加載裝置屬于傳感器與測試技術領域，適用于壓電薄膜懸臂梁式微力傳感器的靜態和準靜態測試和標定。微力加載裝置由一維微位移臺、二維微位移臺、壓電雙晶片微力發生器及減震裝置組成。一維微位移臺由X軸分厘卡組件、一維微位移臺底座組成。二維微位移臺由Y軸分厘卡組件、Z軸分厘卡組件、二維微位移臺底座、支板和內六角螺釘組成。壓電雙晶片微力發生器III由微探針、固定塊、兩片壓電陶瓷片、鋁制金屬片、夾片、內六角螺釘組成。結構簡單可靠，而且操作方便。提高了微小力加載系統的分辨率，解決了微牛頓量級力加載的不穩定性和控制難的問題。
文檔編號G01L1/18GK101059381SQ20071001127
公開日2007年10月24日 申請日期2007年5月10日 優先權日2007年5月10日
發明者崔巖, 董維杰, 王兢, 陳會林, 王立鼎 申請人:大連理工大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
